Nature今日引以為榮：17年後中國學者憑悟空真見暗物質？獨家專訪
白春禮院長說，悟空的重大發現，顯示中國科學家已經從自然科學前沿重大發現和理論的學習者、繼承者、圍觀者，逐漸走到了舞臺中央。
Nature的中國區科學總監更是說：
謝謝“悟空”給Nature以機會
！
請看知社深度報道和獨家專訪：（1）一篇歷時八年的Nature論文；（2）神秘的宇宙幽靈；（3）中國不再搭車；（4）究竟有沒有探測到暗物質？
美東時間2017年11月29日，Nature線上發表中國科學院紫金山天文臺領銜的暗物質粒子探測衛星科學合作組織 （DAMPE Collaboration） 最新研究成果。被譽為“悟空”的中國暗物質粒子探測衛星獲得世界上最精確的高能電子宇宙線能譜，能量測量範圍較丁肇中先生領銜的國際空間站上AMS02探測器以及美國的Fermi-LAT伽馬射線空間望遠鏡有顯著提高。因此悟空衛星首次直接測量到電子宇宙射線能譜在～1TeV處的拐折，如下圖紅線所示，反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力。而其精確的下降行為對於判定部分（能量低於1 TeV）電子宇宙射線是否來自於暗物質起著關鍵性作用！
圖一 悟空所測高能電子宇宙線能譜
“悟空”是中國科學院空間科學戰略性先導科技專項中首批立項研製的4顆科學實驗衛星之一，是目前世界上觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的暗物質粒子探測衛星，於2015年12月17日在酒泉衛星發射中心由長征二號丁運載火箭發射成功。其核心使命是在宇宙線和伽馬射線輻射中尋找暗物質粒子存在的證據，並進行天體物理研究，是我國大科學戰略的重要組成部分。
圖二 “悟空”暗物質粒子探測衛星
北京時間2017年11月27日，中國科學院在北京舉行保密狀態下的新聞釋出會。白春禮院長在會上說：
今天是一個非常重要的日子，也許在人類科學發展的歷史上，大家會記住今天。因為中國科學家已經從自然科學前沿重大發現和理論的學習者、繼承者、圍觀者，逐漸走到了舞臺中央。中國科學院、中國科學家長期以來在基礎科學前沿的投入和付出終於有了突破。
而Nature中國區科學總監Gerstner博士更是謝謝“悟空”給Nature以機會：
What I do know that it is very exciting to be a part of China’s voyage of scientific discovery。
And I thank the Wukong team for letting Nature be a part
。
那麼，中國科學家在暗物質粒子探測，有著什麼樣的緣起，又走過什麼樣的歷程呢？ 請看知社深度報道。
圖三 暗物質粒子探測衛星首席科學家常進
一篇歷時八年的Nature論文
現任暗物質粒子探測衛星首席科學家的常進，1984年至1992年在中國科大近代物理系獲得學士和碩士學位，其後一直在紫金山天文臺工作，學習，一待二十餘年。90年代後期，還在尋找研究方向的常進，突然意識到，雖然人類已經觀測了大部分的電磁譜，但高能電子、高能伽馬射線，仍未在很高分辨的情況下被觀測到，因為其流量非常微弱。1997年，美國宇航局在南極成立了ATIC（Advanced Thin Ionization Calorimeter，先進薄電離量能器）的科考專案，用於觀測宇宙線。常進意識到，ATIC其實也可以用來觀測高能電子。透過一年多的計算、實驗，他最終說服了美國同行採納這一提議。1998年，常進作為中國科學家加入ATIC專案組。
2000年底至2001年初，重達兩噸的ATIC觀測裝置隨長週期氣球在南極升空，並在離地面37公里的高空完成了人類對高能電子的首次成功觀測。結果顯示，高能電子流量在300-800GeV能量區間遠遠超出了模型預計，而一個可能的（但非唯一的）解釋，是這一突起來自於暗物質的湮滅。經過反覆核實確證，以常進為第一作者的這篇論文，2008年在Nature發表，距離最初的發現，已過去八年！而曲線上那個漂亮的小突起，如下圖所示，可以用Kaluza–Klein暗物質粒子湮滅模型完美描述。
圖四 ATIC所測能譜的突起可能來自暗物質湮滅
想必大家都會好奇，這樣一篇文章，為什麼會歷時8年？ 2008年同期Nature刊登了記者對常進博士的專訪，也問到這個問題。常進說：這實驗太難做了，氣球升空失敗一次，就要一等兩年！好在後來資料都確認了。常進告訴Nature，這可能是人類第一次測到暗物質的間接證據！
圖五 常進Nature專訪
那麼，究竟什麼是暗物質呢？
神秘的宇宙幽靈
早在1884年，英國大物理學家Kelvin就在一次演講中提到，根據恆星圍繞銀河系中心運轉的速度所估算出的銀河系質量，和根據我們能看到的星星的質量，存在差距。他因此下結論：
any of our stars， perhaps a great majority of them， may be dark bodies
到了1906年，法國大數學家Henri Poincaré 在討論Kelvin的工作時，首次用了dark matter這一詞，沿用至今。
圖六 根據可見質量所演算的星系速度遠低於觀測值，顯示大多物質不可見
更多的天文觀測在後面幾十年不斷顯示，人類所能夠看見的物質，不足以說明許多的天文現象，很多物質是我們看不見的。1933年，瑞士天文物理學家 Fritz Zwicky 根據Coma Cluster邊緣星系的運轉速度及亮度做出估算，可見星系不足以說明其快速運轉速度，星系的實際質量是可見質量的400倍！這一估算雖然因用到現已過時的哈勃常數而高估算了一個數量級，但Zwicky確實預見到宇宙中大部分的質量是暗的，這也在1939年被 Horace W。 Babcock的觀測進一步驗證。
圖六 天體引力對光線的折射所產生的透鏡效應，暗示暗物質的存在
這些觀測說明，暗物質是與我們已知物質屬性截然不同的，既不發射電磁波，也不與電磁波相互作用，因此完全看不見，而且完全無法用標準模型中的基本粒子描述。但暗物質的存在，可以透過引力現象予以推測，如引力透鏡等。模型顯示，宇宙中僅4。9%的質能為我們現在所知的常規物質，剩下的是26。8%的暗物質和68。3%的暗能量。而暗物質更佔總物質量的84。5%。問題是，暗物質從來沒有被直接觀測到過，因此目前仍然只是假設的存在。根據哈勃望遠鏡觀測到的引力透鏡所估算出來的暗物質分佈，如下圖所示：
圖七 暗物質的分佈
那麼，我們究竟有沒有可能探測到暗物質的存在呢？
中國不再搭車
於是回到了十幾年前，常進在南極的那次重要實驗。搭車美國宇航局的ATIC，常進憑藉能夠測量非常高能量的探測器，發現電子能譜在大家都認為計數率應該下降的能段出現了反常超出。這個發現引起了科學界的廣泛討論，到底是不是暗物質的蛛絲馬跡呢？由於所獲得的資料太少，置信度不高，因此無法完全確定。
2005年的一天，國家空間科學中心主任吳季走進常進的辦公室。常進非常激動地給他看前面圖四那條突起曲線：“如果我能夠做一個更大的探測器，把它放到衛星上，我就一定能夠斷定它是不是暗物質湮滅產生的高能粒子”。這是12年前的一幕，有沒有點阿基米德的意思？
我們知道，探測暗物質不外乎三種方式，一種是直接測量。由於暗物質粒子相互作用訊號很弱，需要在地下進行，當前中國建有錦屏極深地下暗物質實驗室，做這方面工作。一種是間接測量，主要針對暗物質湮滅所產生的常規粒子進行探測。第三種是透過對撞機試圖產生暗物質。常進所提議的，屬於間接測量。
後面的事情大家都知道了，暗物質粒子探測器最終立項併成功發射，由下圖可以概括：
圖八 中國暗物質粒子探測器發展歷程
暗物質粒子探測衛星的探測器由4部分組成，分別是塑閃陣列探測器、矽陣列探測器、BGO量能器以及中子探測器。這個探測器有1。4噸重，其中最核心和最重的部分是鍺酸鉍（BGO）晶體量能器。
圖九 上海矽酸鹽所的BGO晶體
據介紹，中國科學院上海矽酸鹽研究所有一個技術工人，可以拉出世界上最長的BGO晶體，從而製備全世界單元探測面積最大的探測器，可以大大提高探測效率！這樣的晶體，暗物質粒子探測器用了308根！於是才有了Nature論文這麼漂亮的資料，可以將電子和質子區分開：
圖十 BGO探測器對電子（下）和質子（上）的區分
那麼，悟空的火眼金睛，究竟有沒有探測到暗物質呢？
究竟有沒有探測到暗物質？
今天發表的這篇Nature論文，對此並沒有下結論。而在11月27日的新聞釋出會上，有記者問常進：您目前研究的置信度，對暗物質真實存在的支援度大概是多少？常進回答到：可以說有99。99%。但距離物理學上人們定義的“發現”還有點距離，需要再收集一些資料，讓結果更加可靠！
在那天的新聞釋出會上，紫金山天文臺範一中教授和中科院理論物理研究所吳嶽良院士也都對探測資料各自做了理論解讀。吳院士的PPT標題直接為：
發現暗物質粒子存在的可能的新證據！
也就是說，DAMPE觀察到的~1。4TeV 尖銳電子能譜暗示了暗物質粒子可能存在。吳院士介紹到，除非有新的機制，否則尖銳能譜的天體物理解釋將不是合適的選項。
圖十一 DAMPE觀察到的~1。4TeV 尖銳電子能譜暗示了暗物質粒子的可能存在
範教授的PPT將這個尖銳能譜標註了出來。他說，當常進老師展示出悟空號的測量結果的時候，最吸引目光的地方應該不是那個拐折，而是這個點。去年4，5月份常進老師的電腦螢幕上展現出相關跡象的時候，我們是既激動，又擔心。在那之後的一年裡，紫臺和中科大投入了大量的人力核查，幾乎每個週末中科大的張雲龍博士都要帶隊去紫金山天文臺進行深入討論。我們最後確信能量測量結果是可靠的。
可以預期，這些理論分析成果，將會陸續發出，知社將持續關注。
新聞釋出會後，知社也採訪了論文署名作者、紫金山天文臺暗物質粒子探測衛星資料分析團隊成員袁強研究員。
知社
：袁博士好，首先祝賀這一重大成果。我們注意到2008年ATIC那篇Nature論文，運用暗物質模型對探測資料做了擬合。“悟空”這篇論文，似乎沒有擬合具體的暗物質湮滅事件？
袁博
：是的，本篇論文只是對資料的報道。理論學者將會另寫文章專門討論其背後的物理過程。
知社
：好的。我們比較了2008年和最新這篇Nature文章的能譜資料。之前300-800GeV的那個突起，在新的資料中存在麼，似乎不是特別明顯，原因是什麼呢？
袁博
：這是一個很好的問題。簡單的說，悟空的結果確實與之前ATIC的結果定量上存在差異。原因我們推測可能有二：一是ATIC的氣球實驗只飛行了兩週，有可能是漲落，也可能有殘餘大氣的影響；二是ATIC探測器本身還是比較薄，粒子鑑別能力不強，可能有本底混入。“悟空”資料中500-700GeV之間還是略有鼓包，但不如ATIC顯著。
知社
：在可以預見的未來，“悟空”有沒有可能和LIGO一起，探測到暗物質湮滅的雙信使事件，從而證明其存在，就像前段探測到雙中子星併合事件一樣？
袁博
：LIGO的探測通常認為和暗物質沒有關係，即使看到雙黑洞，也不主要構成暗物質。一般來說暗物質不產生引力波。有人討論黑洞作為暗物質的可能性，但爭議很大，也有很多約束。主流觀點認為暗物質不可能全由黑洞組成。
今天的這篇Nature論文署名DAMPE Collaboration， 由中國、瑞士、和義大利的科學家組成。其資料分析得到了國家重點研發計劃、973計劃、基金委、以及中科院百人計劃的支援。中國合作單位包括中科院紫金山天文臺、中科大、國科大、中科院近物所、中科院國家空間科學中心、中科院高能所、和香港大學。
